光回波损耗_后向反射_测试仪的校准(1)

研究与设计 　　电　子　测　量　技　术　　EL ECTRONIC MEASUREM EN T TECHNOLO GY 第 31 卷 第 9 期 2008 年 9 月　 光回波损耗(后向反射)测试仪的校准 詹志强 　夏 　铭 　高建强 　孙 　闻 (上海市计量测试技术研究院电子与电气所 　上海 　201203) 摘 　要 : 本文介绍了采用光连续波反射法 (OCWR)技术的光回波损耗测试仪的校准 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 和校准方法。校准内容包括 内部光源的校准、光功率计的校准、回波损耗校准件的校准、回波损耗测量准确度的校准等诸多方面 ,着重介绍了校准 回波损耗测量准确度的校准方法 - 光回波损耗无源模拟法和有源模拟法 ,并介绍了无源模拟法和有源模拟法所使用 的标准仪器和计算公式以及不确定度评定。经对多台光回波损耗测试仪的校准 , 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明本校准方法准确可行 ,满足了客 户的需求。 关键词 : 光回波损耗 (后向散射) ; 校准 ; 光回波损耗无源模拟法 ; 光回波损耗有源模拟法 中图分类号 : TN929. 11 　　文献标识码 : A Calibration of optical return2loss ( backreflection) meter Zhan Zhiqiang 　Xia Ming 　Gao Jianqiang 　Sun Wen (Division of Elect ric &Elect ronic Met rological Technology , Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology , Shanghai 201203) Abstract : Optical return2loss is an important specification for optical devices ,the measurement of optical return2loss is by optical return2loss meter , but there is no verification regulation or calibration specification released now. The calibration items and methods is int roduced in this paper , the items including the calibration of inner optical source , optical power meter , the calibrator of optical return2loss , the accuracy of optical return loss measurement etc. the int roduction of calibration methods for return2loss measurement accuracy is emphasized , the optical return2loss passive simulation and the optical return2loss active simulation , and the standard inst ruments used to calibrate the optical return2loss for both methods and the calculation formulas and evaluation of uncertainty is int roduced too. By the calibration of hundreds of optical return2loss meter proved that the methods are accurate and feasible , meet s the demands of our customers. Keywords : optical return2loss ( backreflection) ; calibration ; optical return2loss passive simulation ; optical return2loss active simulation 0 　引　　言 光回波损耗 (后向反射) 为光传输系统中一个重要的 参数 ,光回波损耗 (后向反射) 的测试现在普遍使用的方法 是 OCWR 法 ,它通过把回波损耗值已知的自校准参考校 准线 (件)反射的光功率与被测光器件反射的光功率进行 比较 ,得出被测光器件的回波损耗值。使用此方法的测试 仪器 包 括 JDS Uniphase 公 司 的 RM3 ( RX3 ) 系 列 Backreflection meter ,Agilent 公司光多用表中的回波损耗 测试模块 ,国内中国电子科技集团公司第 41 研究所的 AV6332 回波损耗测试仪等。 光回波损耗测试仪现在国家还未制定相应的检定规 程或校准规范 ,上海市计量测试技术研究院电子与电气计 量技术研究所几年来开展了光回波损耗测试仪的校准 ,并 对光回波损耗测试仪的校准项目以及内容进行了有关的 探索 ,对客户送检的不同生产厂家的光回波损耗测试仪进 行了校准 ,2007 年 4 月光回波损耗测试校准项目通过了国 家实验室能力认可。 1 　光回波损耗定义 光器件的回波损耗是对光器件引起的、沿输入路径返 回部分输入光功率的量度。 后向反射 B R 定义为由光器件反射向光源的光功率 Pr 与入射向光器件的光功率 Pi 的比值。 B R = Pr / Pi (1) 后向反射通常用 dB 来表示 : B R = 10 3 lg ( Pr / Pi) (2) 因为 Pr 总是小于 Pi ,所以后向反射为负 (单位为 dB) ·13· 　第 31 卷 电 　子 　测 　量 　技 　术 而回波损耗 RL 为后向反射的幅度值 ,为正值。 RL = - 10lg ( Pr/ Pi) (3) 2 　OCWR光回波损耗测试仪的原理框图和计算 公式 2. 1 　OCWR光回波损耗测试仪的原理框图 OCWR 光回波损耗测试仪由以下几个部分组成 :内部 光源、光耦合器、光监视器和光探测器构成。其中也包括 测试时所需要的自校准参考校准线 (件) 以及测试所有的 连接跳线。 图 1 　光回波损耗测试仪原理框图 2. 2 　OCWR光回波损耗仪中光回波损耗的计算公式 RL DU T = - 10lg MREFMDUT × PDU T - MDU T MPARA ×PPARA PREF - MREF MPARA ×PPARA ×RREF (4) 式中 : MREF 、MPARA 、MDUT 分别为监测器在测试端面的使用 反射系数为 RREF 的校准线 (件) 、反射系数为 0 和待测件 时的测试光功率 ; PREF 、PPARA 、PDUT 分别为探测器在测试端 面的使用反射系数为 RREF 的校准线 (件) 、反射系数的 0 和 待测件时的测试光功率。另外 ,回波损耗测量的最小值取 决于测试仪和跳线的 FC/ A PC 端面的回波损耗值以及光 探测器的最小测试功率。 3 　光回波损耗测试仪的自校准方法和测试步骤 　　由于光回波损耗测试仪的测量准确度与自校准有关 , 下面简单介绍光回波损耗测试仪的自校准方法和测试 步骤。 仪器首先预热 30 min ,由于光纤的移动及机械拉伸等 均会改变单模光纤中的偏振状态 ,偏振状态的改变又将造 成输出光的不稳定 ,从而影响测试准确度 ,为了减少光纤 接线的变动对测量结果的影响 ,需要将连接光纤固定于工 作台面。 另外 ,有条件的实验室 ,最好在校准之前 ,使用显微镜 检查一下光纤端面 ,因为其端面不好将直接影响校准结 果 ,同时也有可能损坏自校准件和光纤跳线。 1) 输入所用自校准件的回波损耗值至仪器 将所用的校准件的回波损耗值 (取决于自校准件的类 型) ,输入至回波损耗测试仪中。 2) 将自校准件接入到回波损耗测试仪中进行回波损 耗的校准 将回波损耗 (后向反射系数) 已知的标准线 (件) 自校 准 ,使仪器得到标准回波损耗 (反射系数) 时的光反射 功率。 3) 使用全匹配的终端来校准零位 由于回损测试仪的测试端面为 FC/ A PC 端面接头 ,在 进行测试时需要连接光线跳线 ,连接跳线一端为 FC/ APC 端面 ,一端为 FC/ PC 端面 ,零位的校准是将跳线的 FC/ PC 端在绕纤棒 (如果无绕纤棒可以使用铅笔杆) 缠绕 5 圈 以上。 至此 ,就完成了光回波损耗测试仪的自校准 ,自校准 的目的是消除波长依赖性 ,耦合器定向性 ,插入损耗 ,后向 散射和其它系统非理想状态对测量结果造成的影响。 4) 连接跳线插入损耗的测量 因为仪器测试得出的回波损耗值也包含了连接跳线 的损耗 ,因此 ,需要进行光纤跳线损耗的测量。对于 J DS UNIP HASE 的后向反射测试仪 ,只是需要将连接跳线的 FC/ PC 端面接于光功率计。 5) 接上待测件 (DU T) ,测试其回波损耗值。 4 　光回波损耗测试仪的校准 光回波损耗测试仪主要由光功率计、光源、自校准线 (件)和光回波损耗测试模块等组成。光回波损耗测试准 确度取决于光纤端面的清洁度、测试所用光源的功率稳定 度、光回波损耗探测动态范围和准确度、自校准所用的校 准线 (件)的准确度、仪器以及连接跳线的端面回波损耗。 校准之前 ,首先需要对光纤以及连接跳线和自校准参 考线 (件)进行清洁 ,每次拔出或接入光纤 ,都需要清洁端 面 ;校准线 (件) 、测试跳线本身的回波损耗值以及各端面 的清洁程度均会对测试结果造成重大影响 ,不清洁端面引 起的误差最高可达 10 dB。 端面清洁完成后 ,应必须按照第 3 节中步骤 1) ～4) 进 行自校准。自校准完成后 ,才进行仪器的校准。 4. 1 　光　源 光回波损耗测试仪中光源的校准内容和校准方法参 照 JJ G958 - 2000 光传输稳定光源检定规程。主要的校准 项目包括光源的输出波长和光源输出功率以及光源的输 出功率稳定度 ,而其中最重要的参数是光源输出功率稳定 度 ,根据公式 (4) ,回波损耗的测量准确度与光源的输出功 率稳定度有关。 因为回波损耗测试仪的光源是加有调制 ,比如 RX3 后 向反射测试仪光源就有 2 k Hz 的调制 , AV6332 也加有 270 Hz 的调制 ,因此 ,在测试其输出光功率时需要将光功 率计设定于对应的调制频率才能准确测量其输出功率。 ·23· 　　　　　　　　詹志强 等 :光回波损耗 (后向反射)测试仪的校准 第 9 期 4. 2 　光功率计的校准 光功率计的校准的内容和方法可以参考 JJ G965 - 2001《通信用光功率计检定规程》,校准内容为光功率计的 功率测量准确度和光功率测量线性度。 其中最重要的是光功率计线性度的校准 , 因为回波损 耗的测量与其相对电平测量值有关 ,一般说来 ,其所用的 光源输出功率为 - 10 dBm 左右 ,为了能够测量测量 65 dB 以上的回波损耗值 ,则其光功率值应该校准至 - 80 dBm。 如果光源的输出功率为 5 dBm 左右 , 为了测量 - 80 dBm的功率 ,需要采用两个 60 dB 的衰减器串联 实现。 4. 3 　校准件的准确度 从式 (4) 可以看出 ,校准件的准确度与测试结果的准 确度直接相关 ,校准件回波损耗 1 dB 误差会引起待测件 1 dB误差。使用研磨良好的光纤 FC/ U PC 跳线端面作为 校准件非常普遍 ,它的回波损耗为 14. 8 dB 左右 ,不确定度 一般在 0. 2 dB 以下。有些公司使用镀金端面作为校准件 , 反射率可达 96 % (回波损耗为 0. 18 dB) ,其不确定度为 0. 1 dB 左右。 校准件回波损耗准确度的校准所使用的标准仪器为 : 光源 ,标准光功率计 ,3 dB 光双向耦合器 ,光隔离器 (如果 没有光隔离器可以采用可调衰减量的光衰减器来代替 ,此 时光衰减器的衰减量要设置为 10 dB 或以上) 。 4. 3. 1 　校准件为 14. 8 dB 回波损耗标准纤的校准 在图 2 中 ,端口 1 和端口 3 为耦合端 ,端口 2 为反 射端。 　　图 2 　14. 8 dB 回波损耗标准纤的校准框图 首先测量端口 3 和反射端口 2 之间的功率分配值 ,首 先测量接有光隔离器的光源输出功率值 ,记此功率为 Ps , 然后将此光源接于标准件的 FC/ uPC 端 (端口 3) ,测量出 3 dB光耦合器反射端面 2 输出光功率 P1 。 将 Ps 减去 P1 就得出 3 dB 耦合器端口 3 至反射端面 2 的之间的功率分配值。 L322 = Ps - P1 (5) 如果此值已知 ,此步骤可以省略。 将接有光隔离器的光源输出接于端口 1 ,先测出标准 件 FC/ PC 端口的输出功率 P3 ,再测量端口 2 处的输出功 率为 P2 ,则 P2 与 P3 之差为标准件的回波损耗加上端口 2 与 3 之间的功率分配值 L 322 , 因此标准件的回波损耗为 : RL ref = P3 - P2 - L322 (6) 4. 3. 2 　校准件为 0 dB 回波损耗标准件的校准 对于 0 dB 回波损耗的标准件的校准 ,步骤也是与前面 的 14. 8 dB 回波损耗校准步骤基本相同 ,因为校准件的端 面为 FC/ A PC ,跳线的插入损耗要求已知。跳线的插入损 耗可以采用以下的方法来测量 : 测量方法为直接测量法 ,取一端为 FC/ A PC、一端为 FC/ PC 的跳线 3 根 ,将其中这 3 根跳线之间两两相接 ,接 法为 FC/ A PC 端面相接 ,使用光功率计测量得出 3 个衰减 数据 ,通过计算可以得出此 3 根跳线的损耗值。 4. 3. 3 　光纤跳线 (jumper)插入损耗的测量 在实际测量光器件的回波损耗时 ,测量结果中包含了 光纤跳线的损耗。 RL = RL DUT + 2ΔL (7) 式中 : RL 为光回波损耗测量仪的测试值 , RL DUT 为光器件 回波损耗的实际值 ,ΔL 为光纤跳线的插入损耗。所以 , 对 于精确的回波损耗测量中 ,必须需要测量出光纤跳线的插 入损耗ΔL ; 光纤跳线插入损耗测量可以参照 4. 3. 2 中介 绍的方法。 4. 4 　回波损耗测量准确度的校准 经过分析公式 (4) ,本文认为回波损耗测量准确度的 校准方法可以采用无源模拟法和有源模拟法两种 ;一般说 来 ,光回波损耗测试仪使用内部光源可以选用无源模拟 法 ,使用外部光源的回波损耗测试仪可以使用无源模拟 法 ,也可以使用有源模拟法。 4. 4. 1 　光回波损耗无源模拟法 1)具有光后向反射模拟器 采用 MAP Variable Backreflector 可变后向反射模拟 器来模拟回波损耗值 ,设定好回波损耗的标准值 ,再从回 波损耗测试仪中读取出指示值 ,如图 3 所示。 图 3 　采用光可变后向反射模拟器的测试框图 2)无光后向反射模拟器 ,但有光可变衰减器 该方法所采用的标准仪器为一台具有 FC/ A PC 连接 端面的光衰减器 ,和一个回波损耗已知的标准件。具体接 线图如图 4 所示。 图 4 　光回波损耗无源模拟法的测试框图 将光衰减器的输入端接光回波损耗测试仪的回波损 耗测试端面 ,光衰减器的输出端接回波损耗标准件。在进 行校准之前 ,首先需要测量光衰减器的固有衰减值 ,由于 光衰减器为双向互易器件 ,正向衰减与反向衰减相同 ,同 时衰减器的衰减量增加 1 dB ,则后向反射值就增加 2 dB , 由于是改变光衰减器的光衰减量就可以得到所模拟的回 波损耗值。 所模拟的回波损耗值的计算公式为 : ·33· 　第 31 卷 电 　子 　测 　量 　技 　术 RL simu = RL ref1 + 2 A + 2 A0 (8) 式中 : RL simu 为光回波损耗模拟值 ; RL ref1 为标准件的回波 损耗值 ; A0 为光衰减器的固定衰减值 ; A 为光衰减器的设 定值 4. 4. 2 　回波损耗有源模拟法 光回波损耗的有源模拟法与光回波损耗无源模拟法 不同 ,其基本原理是利用光源和光衰减器模拟出光回波损 耗值。所使用的标准仪器为具有 FC/ A PC 端口的标准光 衰减器和一台光源 ,光源可以采用光回波损耗测试所用的 外接光源 ,光源的输出经过一个 3 dB 功率分配器将此光源 分为两路 ,一路送至光回波损耗测试仪的光输入端 ,另外 一路通过一个光衰减器再送至回波损耗测试端 ,如图 5 所示。 图 5 　光回波损耗有源模拟法的测试框图 模拟步骤 : 首先使用光功率计测试光回波损耗测试端的输出光 功率 ,记为 PS1 。 再测量光源通过光衰减器的输出光功率 ,调整光衰减 器 ,输出光功率为 Psimu , PS1 与 Psimu 之差为所需要设定的回 波损耗值。 RL simu = PS1 - Psimu (9) 改变光衰减器的衰减量 ,模拟回波损耗值。 5 　不确定度评定 光功率计和光源的测量不确定度在此就不再赘叙 ,主 要介绍光回波损耗校准的不确定度。 5. 1 　测量不确定度分析 根据前面介绍 ,不确定度主要由以下几方面组成 : 5. 1. 1 　自校准件准确度 1) FC/ U PC 跳线端面 理想的光纤端面是一种较好的校准件 ,一般说来使用 研磨良好的 FC/ U PC 跳线端面经校准后的不确定度为 0. 2 dB , k 为 2 ,则其标准不确定度 u1 a = 0. 1 dB。 2) 光纤镀金端面 自校准件是光纤镀金端面 , 如美国 HP 公司的 HP81000BR 的反射率可达 96 % ,其回波损耗为 0. 18 dB , 其不确定度为 0. 1 dB , k 为 2 ,则其标准不确定度 u1b = 0. 05 dB。 5. 1. 2 　外接光源光功率稳定度 光源的稳定度将直接影响回波损耗的测试准确度 ,特 别是当使用镀金连接器及光纤端面等校准件时 ,较强的反 射功率会对激光器造成很大的影响 ,可以采用加装隔离 器/ 衰减器来消除这种影响 ;即使全反射时 ,返回光源的光 功率也将衰减 30 dB 以上 ,其影响即可忽略。此时稳定度 可达到±0. 05 dB/ 1h。假设为均匀分布 ,分布因子为 3 , 则其标准不确定度 u2 = 0. 05/ 1. 7 = 0. 03 dB。 5. 1. 3 　标准光功率计准确度 根据所用的标准光功率计的技术说明书 ,其测量准确 度为±0. 15 dB ,假设为均匀分布 ,分布因子为 3 ,则其标准 不确定度 u3 = 0. 15/ 1. 7 = 0. 09 dB 5. 1. 4 　光后向反射模拟器准确度 后向反射模拟器为单模光纤、无耦合器的模拟器 , - 40 dB 反射系数 ( 40 dB 回波损耗 ) 时的准确度为 ±0. 2 dB ,假设为均匀分布 ,分布因子为 3 ,则其标准不确 定度 u4 = 0. 2/ 1. 7 = 0. 12 dB。 5. 1. 5 　连接跳线衰减测量不确定度 根据实验 ,连接跳线衰减测量不确定度为 0. 04 dB ,扩 展因子为 2 , 则其标准测量不确定度 u5 = 0. 04/ 2 = 0. 02 dB。 5. 1. 6 　光衰减器准确度 根据所用的标准光衰减器的技术说明书 ,单模光纤衰 减器的衰减准确度为±0. 1 dB ,假设为均匀分布 ,分布因子 为 3 ,则其标准不确定度 u6 = 0. 1/ 1. 7 = 0. 06 dB。 5. 1. 7 　光衰减器极化相关性 一般说来 ,光衰减器的相关性为 ±0. 05 dB ,假设为均 匀分布 , 分布因子为 3 , 则其标准不确定度 u7 = 0. 05/ 1. 7 = 0. 03 dB。 5. 1. 8 　光衰减器固有衰减测量不确定度 根据分析 ,固有衰减测量不确定度为 0. 04 dB ,扩展因 子为 2 ,则其标准测量不确定度 u8 = 0. 04/ 2 = 0. 02 dB。 5. 1. 9 　光后向反射模拟器极化相关性 根据其技术说明书 ,光后向反射模拟器的极化相关性 为 0. 1 dB , 假设为均匀分布 ,分布因子为 3 ,则其标准不确 定度 u9 = 0. 1/ 1. 7 = 0. 06 dB。 5. 1. 10 　3 dB 功分器的功分比 根据实验 ,3 dB 功分器的功分比测量结果不确定度为 0. 06 dB ,扩展因子为 2 ,则其标准测量不确定度 u10 = 0. 06/ 2 = 0. 03 dB。 5. 2 　测量不确定度合成 假如光回波损耗测试仪的自校准件为 FC/ U PC 跳线 端面 ,包含因子取 2。 对于采用后向反射模拟器的无源模拟法 ,在模拟量为 40 dB 时 ,标准不确定分量包括 u1 a , u4 , u5 , u9 则扩展不确定 度为 : U1 = 2 ×0 . 149 = 0 . 30 dB (下转第 46 页) ·43· 　第 31 卷 电 　子 　测 　量 　技 　术 to2digital converter implemented in field2programmable2 gate2arrays [ J ] . 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Firmware2onlyimplementation of time2to2digital converter ( TDC) infield2programmable gate array ( FP GA ) [ J ] . NeclearCinece Sympsium Conference Record , 2003 , 1 :1772181. 作 者 简 介章明沛 ,男 ,1983 年出生 ,硕士研究生 ,主要研究方向为网络信息处理技术。E2mail : Zhang. Mingpei @gmail . com刘纯武 ,男 ,1963 年出生 ,副教授 ,主要研究方向为数字化测试技术和网络信息处理技术。 (上接第 34 页) 　　对于采用光衰减器的无源模拟法 ,在衰减量为 20 dB 时 , (模拟量为 40 dB) ,标准不确定分量包括 u1 a , u5 , u6 , u7 , u8 则扩展不确定度为 : U2 = 2 ×0. 154 = 0. 31 dB 对于有源模拟法 ,衰减量为 40 dB ,标准不确定分量包 括 u1 a , u2 , u3 , u5 , u6 , u7 , u8 , u10 则扩展不确定度为 : U3 = 2 ×0. 13 = 0. 26 dB 6 　结　　论 运用以上 3 种方法对中国电子科技集团公司第 41 研 究所生产的同一台 AV6332 回波损耗测试仪分别进行了 校准 ,回波损耗设定值为 40 dB 时 ,AV6332 测得的回波损 耗值分别为 39. 9 dB (光后向反射模拟器) ,39. 8 dB (光衰 减器模拟法) ,40. 0 dB (光回波回波损耗有源模拟法) ,可以 看出结果还是比较一致的。经对国内外厂家生产的近 200 台回波损耗测试仪进行了校准 ,回波损耗校准值最高可达 65 dB ,满足了客户需求。 参 考 文 献 [1 ] 　中国计量科学研究院. JJ G965 - 2001 通信用光功率 计检定规程[ M ] . 中国计量科学研究院. 中华人民共 和国国家计量检定规程汇编 ,2001. [2 ] 　中国计量科学研究院. JJ G958 - 2000 光传输稳定光 源检定规程[ M ] . 中国计量科学研究院. 中华人民共 和国国家计量检定规程汇编 ,2000. 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